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2005/6/15第１页毕业设计报告书课题名称：开关磁阻电机设计及控制专业班级：电机制造及运行维护报告人：指导老师：报告日期：年月日2005/6/15第２页毕业设计(论文)任务书课题名称(包括主要技术参数)及要求:题目:开关磁阻电机设计及控制功率：kw15PN电源电压：相电压v380U额定转速：min/r1500n额定效率：85.0调速范围：min/200050r运行方式：连续运行绝缘等级:B课题内容及工作量:1.了解开关磁阻电机原理、结构及控制2.确定电机主要参数、主要尺寸3.电磁方案计算4.控制研究5.编写设计说明书2005/6/15第３页目录前言第一章开关型磁阻电机驱动系统的组成1.1SRD基本结构1.2SRD的工作原理1.3SRD的特点1.4SRD的研究动态第二章SR电机工作原理和特点2.1基本结构2.2工作原理2.3SR电机的特点第三章开关磁阻电动机电磁设计3.1设计特点3.2确定SR电动机额定数据3.3计算SR电动机主要尺寸3.4计算SR电动机其他尺寸3.5选择导通角和磁负荷，计算绕组匝数3.6核算SR电动机的额定转矩、额定电流3.7计算槽满率、导线线径及每相绕组的电阻3.8参数计算和校核额定效率3.9计算机辅助设计程序第四章SRD的基本控制原理4.1基本控制策略4.2正反转控制4.3SR电动机的起动运行4.4低速斩波控制4.5高速单脉冲控制第五章SRD系统控制原理设计5.1控制系统的总体设计5.2控制器的设计5.3电流检测器的设计5.4位置检测器的设计5.5功率变换器的设计第六章SR电动机运行时的转矩脉动与噪声6.1SR电动机的转矩脉动分析6.2SR电动机的噪声分析第七章开关磁阻电动机应用概况7.1SRD系统在电动车方面的应用7.2SRD系统在家用电器方面的应用2005/6/15第４页第八章结束语第九章参考资料附录：参观实习报告摘要：在此次设计中，主要是系统的介绍开关磁阻电动机驱动系统的基本结构和基本工作原理，并依此为基础简要的进行开关磁阻电动机驱动系统的设计；重点分析和详细的说明了开关磁阻电动机驱动系统的执行元件开关磁阻电动机的结构、控制原理和控制策略，并根据给定的电动机的额定数据进行电机的主要参数、主要尺寸、电磁方案的计算、性能的核算和控制方案研究关键词：开关磁阻电动机驱动系统开关磁阻电动机电磁设计控制方案研究转矩的脉动与噪声2005/6/15第５页前言磁阻式电动机诞生于160年前，但在此后漫长时期内，它一直被认为是一种性能（效率、功率因数、利用系数等〕不高的电动机，故仅应用于少数小功率场所。70年代初，美国福特电动机（FordMotor）公司研制出最早的开关磁阻电动机调速系统（SwitchedReluctanceDrive）。70年代中期，英国里兹（Leeds）大学和诺丁汉（Nottingham）大学共同研制以电动车辆为目标的开关磁阻电机调速系统。80年代以后，开关磁阻电机调速系统的性能指标高于其他传统的传动系统。因以结构简单、运作可靠及效率高等突出特点，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统有力的竞争者。目前，开关磁阻电机已广泛应用于纺织、冶金、机械、石油、化工、航空、交通运输等行业。美国、英国、韩国已在家用电器中进行了应用，并取得了良好的效果。开关磁阻电动机是磁阻电机与电子开关驱动控制器组成一体的控制装置，又称开关磁阻电动机调速系统。它融新型电动机结构与现代电力电子技术、控制技术一体，兼有交流变频调速系统的电动机结构简单、坚固耐用、无刷、无整流子和直流调速系统的调速性能好、控制电路简单、输出特性变化灵活、能频繁正反转和起、制动、在负载和转速变化时均有较高效率以及能适应恶劣环境等优点，是一种性能价格比较高的无级调速系统。然而，作为SRD主体的磁阻电机，尽管电磁原理和结构相当简单，但磁路周期性变化并存在严重的局部饱和，其设计和性能分析与传统的电机差异较大，不可能完全按照传统的设计方法和理论进行该电机的电磁性能设计，因此在设计中，应给予足够的重视。在电机的控制方面，若对SR电机运行特性和控制方式缺乏了解，亦难以制定合理的控制策略，而控制策略的合理与不合理，关系到电机是否能达不到期望的运行性能，因此，必须在正确的理论指导下，设计出合理的控制策略。由于这是第一次搞设计，设计经验不足，知识结构不够完备，在最大可能占有相关资料的前提下，完成了此次设计任务，因此存在许多不足之处。可能本设计结果和工厂的实际生产设计有所不同，但本次设计为以后到工厂搞设计积累了宝贵的经验。在这一个多月的设计中，由电气系老师谢卫才担任指导，在设计过程中谢老师给予了悉心的指导和热情的帮助，在此对谢老师谨致诚挚的谢意。本次设计难免有不少错误的地方，敬请各位老师提出加以指正。由于开关磁阻电动机是一个系统，而作为它的执行元件SR电动机其本身无法单独工作，因此，本次设计是从开关型磁阻电动机驱动系统出发。第一章开关型磁阻电机驱动系统的组成1.1基本结构2005/6/15第６页开关型磁阻电机驱动系统（英文全称为SwitchedReluctanceDrive缩写为SRD）主要由开关型磁阻电机（英文全称为SwithdReluctanceMotors缩写为SR电动机）、功率变换器、控制器和位置检测器四部分组成，其基本框图如图1所示。其中SR电动机和位置检测器组成一体，功率变换器、控制器和电源是跟SR电动机相对独立的电子电气装置。功率变换器控制器速度给定电源图1SRD基本组成SR电动机位置检测电流检测机械输出SR电动机是整个系统的执行部件，它采用双凸极结构，磁路的磁阻变化较大。定、转子极数不同，转子仅由叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体；定子各极上绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。SR电动机遵循“磁阻最小原理”，产生的磁拉力形成磁阻性质的电磁转矩而使转子转动。功率变换器向SR电动机提供运转所需要的能量，其本身由蓄电池或交流电源整流后得到的直流电供电。它主要由功率开关和续流等电路组成，实现电能的转换和能量回馈。它的主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件种类等有关。位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者，是用来确定转子磁极的相对位置。控制器必须借助位置检测器获得的转子位置信息，以保证在恰当时刻接通或断开相应的相绕组，以产生不同的电磁转矩，获得不同的转速、转向及运行状态。控制器是系统的中枢，它综合处理速度指令、速度返馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信号，从而控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SR电动机运行状态的最终控制。1.2SRD的工作原理由于不同转子位置处，其相电感L（θ、i）及бL/бθ是不同的，控制相绕组通电时刻即可改变电流的大小及波形，因此产生不同的转速、转向及进入不同的运行状态。SR电机电动机的控制器，根据位置检测器检测到定、转子间的相对位置，按照给定的运行指令导通相应的相绕组的度开关元件。相绕组中有电流流过的产生磁通，转子因受到使其向磁阻最小位置运动的趋而产生的磁拉力的作用而转动，直转子转到被其吸引的定子磁极相重合时为止。同时，控制器根据新的位置信息亲断当前相，而导通下一相，因而转子继续向下一个平衡位置转动。这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑，连续不断地导通和关断相应的主开关，就可以产生连续的同方向转矩，使转子在一定的转速下连续运行。再根据一定的控制策略，控制各相绕组的通断时刻2005/6/15第７页以及绕组电流的大小，使系统处在最佳状态下运行。因此，位置闭环是SRD有别于步进驱动系统的重要标志之一。1.3SRD的特点开关磁阻电动机驱动系统，综合了交流电动机驱动系统和直流电动机驱动系统的优点，作为一种新型的调速系统，它的电动机本体结构、变换器型式以及控制方式都与众不同。其主要特点有：1．执行元件SR电动机结构简单，制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小等优点。2．功率变换器主开关元件少，且每一个开关元件都与电动机绕组串联，从结构上排除了短路故障的可能，不会出现直通现象。3．系统具有良好的动态响应。4．系统的调速范围广、运行效率高、控制参数多、控制方式灵活、易实现正、反转控制及四象限运行。5．系统的噪声大于一般的电动机，且电动机与控制器间的联线较多，这是SRD系统的最度的缺点。1.4SRD的研究动态性能优良的电气传动都需要调速电动机，先进的机电一体化调速电动机，正是顺应了这种必然发展趋势的需要。开关磁阻电动机调速系统作为一种方兴未艾的新技术，涉及到电机、微电子、电力电子、计算机、自动控制和机械工程等众多学科领域。从目前发展水平看，无论是在理论上还是在应用上，仍有许多问题有待进一步研究与解决。1.进一步完善SR电动机设计理论，SR电动机的非线性使其性能的精确分析和计算较为困难。目前普遍采用二维非线性有限元法分析SR电动机内部的饱和磁场.其局限性主要表现在两方面：一是对以路为基础的设计方法研究不够。二是现有场的方法的精度亦有待提高，应计及端部效应，开展SR电动机三维场的研究。2．加强铁心损耗的理论研究。SR电动机磁场特性的非线性导致相绕组供电电压和电流波形较为复杂，一般为单向脉动的非正弦波；定转子各部分铁心中的磁通密度变化规律也不相同，因此对定、转子铁心损耗的计算与测量颇为困难，面临的问题主要是如何建立准确、实用的铁心损耗计算模型和分析、测试手段。3．加强对转矩脉动及噪声的理论研究，SR电动机的转矩脉动及其引起的噪声是SRD一个颇为突出的缺点，这限制了其在诸如伺服驱动这类低速要求平稳且有一定静态转矩保持能力场合下的应用。因此，研究抑制SR电动机的振动和噪声也是改善SRD性能的重要课题之一，减少SR电动机振动和噪声的关键是在于如何减定子上的径向力的大小。从SR电动机自身的结构设计上，主要是合理设计形状、定子磁轭强度和电动机刚度，合理选择气隙、极弧参数；从控制角度看，主要是优选导通角和关断角及调节方案，尽可能调节好各相工作参数的对称性。4．进一步提高SRD中电动机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计水平，SRD是典型的机电一体化装置，它的各部分间的联系非常密切，为使系统整体最优，就不应将各部分的设计院割裂开来，必须借助计算机辅助设计将电动机、功率变换器及控制器三者作为一个整体进2005/6/15第８页行优化设计。目前尚停留在仅对特定类型的SRD分析核算程序的水平，只能完成局部的综合设计和个别参数优化。5．如何有效地回收绕组释放的磁场能量。因为SR电机的断开相时，铁心内部有剩磁，而SR电动机的转子在不停的旋转，切割了电磁线，由法拉第电磁感应定律产生了能量，此部分磁场的能量回馈给电源，由于此能量不是连续的，给能量的回收利用造成了很大的困难，主要如何在有效建立回馈方式。第二章SR电机工作原理和特点SR电动机是SRD驱动系统的执行元件。它与传统的磁阻电动机相比，具有本质的区别，这是磁阻电动机和电力电子开关电路相结合产生的一种节能型变速电动机。它的结构和工作原理与传统的交直流电动机有着根本的区别。其主要表现在这种电动机不像传统电动机那样，依靠定、转子绕组电流产生的磁场的相互作用形成电磁转矩，而是依靠“磁阻最小原理”产生磁阻性质的转矩。因此，这种电机的原理和控制方法上与其他的电机肯定有不同之处。作为一种新型的电动机，在理论分析与实际应用方面还需要做更多、更细致的研究工作。2.1基本结构图1所示是开关磁阻电机的典型结构原理图。从原理图上可以看出该电动机在结构上与步进电动机相似，其运行原理遵循“磁阻最小原理”—磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场被扭曲而产生切向磁拉力的磁阻性质的电磁转矩。因此，它的结构原则是：转子旋转时磁路的磁阻要尽可能大的变化。所以SR电动机均采用双凸极结构。图1SR电动机结构原理图2.2工作原理其运行原理的具体过程如下：当A相绕组电流控制开关S1、S2闭合时，A相励磁，而其他相不通电流，这是，电动机内建立以AA`为轴线的磁场，磁场经过定子轭、定子磁极、气隙、转子磁极、转子轭等处闭合。由于通电时定、转子磁极轴线不重合，因此，此时通过气隙的磁力线是弯曲的。按照